高效、超高效电动机的设计要点是降低各项损耗，提高电动机效率。所采取的措施包括：应用特殊下线工具，提高定子槽满率，增加了铜线的截面积；提高制造精度，缩短线圈端部长度，加强冲片和定子铁心的制造质量，从而减少铁耗和激磁电流及其引起的铜耗；改善转子槽绝缘工艺，降低负载杂耗；合理地选择硅钢片的牌号，降低铁损和定子铜耗。
一、降低定子铜耗
定子绕组铜损耗 Pcu1 约占总损耗的40％，主要为满载时定子绕组在运行温度下的电阻损耗。定子绕组损耗计算公式为：
Pcu1=1.5I12R1 W                              
通过对比我公司研制的 NEMA 系列高效电机和YBX3系列2级能效电机的试验结果，发现 NEMA 系列电机定子铜耗试验值比计算值平均增加 14.47％，YBX3 系列电机定子铜耗试验值比计算值平均增加 12.39％。通过以上计算公式，可以得出铜耗增加的原因可以分为：定子电阻的增加而引起铜耗的增加和定子电流的增加而引起铜耗的增加两方面因素。降低定子铜耗，可以从以下方面入手。
(1)合理选择硅钢片牌号，严格控制铁心制造质量。
根据定子铜耗的计算公式，定子电流增大是导致定子铜耗大幅度增加的一个主要原因。根据电机学理论：负载时，定子电流分为有功分量和无功分量，有功部分产生轴功率和各项损耗，无功部分又包括建立磁场的激磁电流和电抗电流。同样，空载时的电流也分为两部分，一部分是产生磁场的无功分量，另一部分是产生风摩耗的有功分量，无功分量即为激磁电流。
高效电机硅钢片的合理选择尤其重要，小功率电机因空载电流占满载电流的比例较大，所以应考虑采用导磁性能好的硅钢片，这样在相同磁通密度下，产生激磁电流较小，定子电流的无功分量少，功率因数提高，定子电流小，定子铜耗少；而大功率电机由于空载电流所占比例较小，采用高导磁的硅钢片，对于降低铁损效果不明显，在功率较大的电机中，铁耗在总损耗中已占有相当大的比例，因此，应考虑采用单位铁损较低的硅钢片，以便降低铁损和提高电机转矩。
(2)严把硅钢片质量关，严格控制铁心制造质量，是减小激磁电流的有效手段。下面列出了铁心制造过程中能够使定子激磁电流增加的因素。
a)硅钢片的磁化能力差，不符合设计要求，则激磁电流大，功率因数低，同时定子电流大，造成定子铜耗大，效率低；
b)硅钢片毛刺大，叠压系数降低，铁心齿部弹开大于允许值，导致定、转子铁心重量不足，定子齿、轭的截面积减小，磁通密度增大，从而激磁电流大，功率因数低，同时定子电流大，造成定子铜耗大，效率低；
c)铁心长度大于允许值。一方面定、转子铁心长度不同或产生菱形，相当气隙有效长度增加，气隙磁势增大，激磁电流大，功率因数低；另一方面铁心有效长度增大，使漏抗系数增大，漏抗增大，满载电抗电流增大，功率因数降低，同时定、转子电流大，造成铜耗大，效率低。
(3)提高槽满率，缩短绕组端部长度
增加槽满率，压缩端部长，可以提高效率，这已是共识。目前国内高效电机制造厂其槽满率已达 82％～83％，而我公司曾外购的波兰电机槽满率达到了 82.65％。槽满率的大幅度提高，要求在线圈的绕制、嵌线有较高工艺手段进行保证，另外对定子的叠片质量也有较高的要求，要严格保证槽形尺寸，保证叠片整齐。
(4)优选低电阻率电磁线
超高效电机电磁线的选择除性能指标符合IEC 60851 外，其电阻率一定要低，这样才能最大限度的降低定子铜耗。铜圆线有无氧铜杆与低氧铜杆之分，两者性能基本接近，只不过低氧铜杆的柔软度要好于无氧铜杆，为便于下线，超高效电机电磁线选用低氧铜杆。普通电磁线室温下电阻率为 0.017241 Ωm，而目前国内高效电机制造厂用 200 级变频漆包铜圆线，室温下电阻率小于 0.017 Ωm。
二、降低铁损
 虽然冷轧片具有高导磁、低损耗、厚度均匀和同板差小的优点，但冷轧片的磁感应强度和铁损对机械应力非常敏感，经冲剪加工后，沿冲剪分离线的边缘由于塑性变形，引起了内部应力的积聚和物理性能的变化，会导致冷轧硅钢片的导磁性能降低、铁耗增加。所以，在高效率电机中虽然采用高牌号的冷轧片，但并没有真正发挥出其优势。
铁心损耗 PFe 占总损耗的 20％ 左右，由交变主磁通在定子或转子铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗组成。正常运转时，异步电机转子的磁通变化频率很低，转子铁心损耗可以忽略不计。铁心损耗计算公式为：
        PFe=KPl.0／5.0B2(f／50)1.3~1.5GFe
       式中：P1.0／5.0 铁心材料在频率 50 Hz、磁密 IT 时的单位铁损，Wkg-1
        B——铁心平均磁密 T；
        F——磁通交变频率 Hz；
        GFe——铁心重量 kg；
        K——修正系数。
        K 是考虑铁心材料经冲片、剪切加工及齿部或轭部磁通密度分布不均、气隙磁通非正弦性使损耗的增加进行修正的经验系数。降低铁耗可采取如下措施：
(1)合理选择硅钢片牌号，严格控制铁心制造质量，减少电机的涡流损耗。
硅钢片的选择不要只追求高牌号，铁损低的，而要综合考虑。事实上，牌号越高，铁损虽然低，但导磁能力会相对较差，而导磁能力对于小电机尤为重要。虽然早在 2002 年底，国家提出要推广冷轧片，即“以冷代热”，但冷轧片的种种弊端(如冷轧片的失效期问题和对机械应力的敏感)，对于高效电机的研制始终是个障碍。现国内主要高效电机制造厂硅钢片采用的是热轧片，该牌号硅钢片属高硅高碳、密度小、重量轻且材料稳定性好，基本无失效期，冲剪应力远小于冷轧片。
如果采用冷轧片，必须解决其冲剪后的机械应力问题，最有效方法是选择合理的退火工艺。但因受设备和工艺参数的限制，国内并没有推广，只是在小电机上采用过此工艺。
欧洲小电机制造商曾采用无硅钢片，虽然具有高的磁感应强度和与硅钢片相近的铁耗，同样，它的磁感应强度和铁耗对机械应力很敏感，需要采取合理的工艺来恢复其原有性能。
(2)设计上调整槽形尺寸，选用合理的磁密，减少基波铁损耗。
三、降低转子铜耗
转子铜耗 PA12 约占总损耗的 25％，计算公式为：
PA/2=I22R2
降低转子铜耗可采取如下措施：
(1)采用纯度较高的铝，如选用纯度 99.7％ 铝，降低铝的电阻率；
(2)设计时尽量增大转子槽形，加大导条和端环截面积，降低转子电阻；
(3)提高铸铝转子的质量，避免细条、断条和缩孔等制造缺陷，这一点至关重要。
(4)对铸铝转子的端环质量进行检测，避免不合格部件流入下道工序，现在主要采用超声波无损探伤对端环的质量进行检测。
四、降低机械耗  
机械耗的设计输入没有统一的标准，可以参照Y2 设计手册。超高效电机的结构虽然都比较简单，机械耗的产生主要有：通风损耗、轴承摩擦损耗、密封圈摩擦损耗以及零部件形位公差的严重超差而引起的机械耗。但从设计上不易确定，只能通过理论分析和经验选取。
机械损耗 Pfω 约占总损耗的 5％，包括风扇及通风系统的损耗，电机转子表面的摩擦损耗、轴承摩擦损耗和密封圈摩擦损耗等。风摩耗的产生与电机转速、通风方式、风扇形式、风扇外径、转子外径、轴承类型、润滑特性、机械加工精度及装配质量等有关。降低机械损耗可采取如下措施：
(1)设计与电机转数相匹配的高效风扇、优化风路结构，选择风扇与风罩最佳匹配关系。
(2)选用优质低摩擦轴承、摩擦阻力小的润滑脂，对轴贯通处采用 V 形密封圈结构；
(3)轴承与轴承室选取合理的公差配合，并尽量采取中间公差，加强形位公差的控制，且保证零部件在运输、装配过程中不变形，同时保证电机整机装配质量，这一点对于高效电机降低机械耗至关重要。
我公司试制过 NEMA405T-4P 100HP 电机，第一次效率、轴承温度不合格，效率分别为 92.4％／93.2％，轴承温度分别为 102℃／106℃，机械损耗为1340 W／1644 W，拆检发现机座两端止口同轴度严重超差，端盖止口对轴承室的跳动严重超差，重新加工制造机座、端盖，并进行严格控制，再次试验，效率为 94.43％／94.28％，轴承温度分别为 76℃／84℃，机械损耗为 870 W／1053 W，可见零部件的尺寸公差和形位公差的大小对电机的效率提高有着很大的影响。
五、降低负载杂散损耗
电动机的负载杂耗随电机设计、制造工艺以及功率、转速和材料不同而变化，一般在输入功率的0.5％~3％ 之间，随着功率的增加，负载杂耗所占输入功率的比例而减小。异步电动机的负载杂散损耗产生的主要源于：
(1)定、转子绕组电流产生的空间高次谐波磁场在定、转子铁心和绕组中产生的表面损耗和脉振损耗；
(2)定、转子绕组端部漏磁场穿过端盖等结构件时在其中产生涡流损耗；
(3)在气隙谐波磁场作用下，斜槽式笼型转子中由于导条与铁心短路产生的横向电流引起的附加铜损耗等。
负载杂散损耗 Ps 约占总损耗的 10％，是除上述四种损耗以外的全部损耗。杂散损耗与绕组形式、节距、槽型、槽数、槽配合、槽绝缘、气隙长度、绕组端部与端盖距离、槽中导体高度、生产制造工艺的控制水平等因素有关。降低杂散损耗大致可采取如下措施：
a)调整电磁设计方案，选用合理槽形、槽配合和三圆，采用“正弦”或“准正弦”绕组以削弱合成磁场中的高次谐波，削弱附加损耗和附加转矩(注：采用“正弦”或“准正弦”绕组导致绕线、下线和接线工艺性极差，目前国内外高效电机多数不采用此技术)。
b)定、转子一次冲成，气隙不另外加工；这需要工艺上很大的革新。
c)使用磁性槽楔或磁性槽泥；
电机开槽会使气隙磁导不均匀，导致表面损耗及脉振损耗加大，采用磁性槽楔或使用磁性槽泥相当于缩小槽口宽，削弱了齿槽效应，降低了定、转子齿内的平均磁密，从而减少表面损耗及脉振损耗，同时可降低励磁电流，减少铜耗，降低温升。但对于低压电机磁性槽楔由于受尺寸限制，工艺上很难实现。
d)增加铸铝转子导条与铁心间的表面接触电阻。
可以采用如下几种措施：冲片氧化处理法、脱壳处理法、转子表面烧焙法、碱洗法和转子槽绝缘处理等。国外一些生产厂家在铸铝前将转子浸入硼沙液中，在槽内形成涂层，铸铝时形成稳定的绝缘层，提高了接触电阻，降低了杂散损耗。国内有高效电机制造厂采用转子脱壳工艺来降低杂耗。
e)加强定子铁心和铸铝转子的制造质量。
f)精确控制斜槽度，采用特殊斜槽。
为了抑制因高次谐波磁场产生的附加转矩及削弱齿谐波，笼型异步电动机转子均采取斜槽措施。而采取斜槽会在转子导条与铁心之间产生横向电流，从而产生相应的铜损耗。斜槽有两种形式，一种是常用的导条沿转子圆周扭斜一个电角度；另一种是“人字形斜槽”，导条对称于铁心中线沿圆周向同一方向扭斜一电角度。目前，国外不仅在低压电机，在高压电机上也有采用“人字形斜槽”的。
(g)采取转子表面热处理工艺。
六、对传统方法的改进
要提高电机效率，从理论上讲希望尽可能提高电机线负荷、气隙磁通密度和线电流密度。现设计中，一般气隙磁通密度在 0.40~0.80 T 之间，定、转子齿轭部磁密设计取值一般最高也不超过 1.65 T，限制了电机效率提高。若采用高磁导率尤其是在中高磁场下具有磁导率高、比损耗低优质硅钢片，即可为提高气隙磁通密度，调整线负荷和线电流密度提供条件。也就在提高电机效率方法中又增加了一条新的途径，即使用磁化性能更好的磁导率高、比损耗低、薄规格、同板差小的电工钢片。在降低铁心磁滞损耗和涡流损耗等空载损耗的同时，根据高磁导率的特点，通过电磁负荷的重新设计一般是提高磁密、降低电负荷或电密，充分利用硅钢片的重要性能指标——磁导率，对提高电机效率有明显效果。
此外，在条件允许的情况下，还可以使用常温超导材料，使电机损耗得到更大的降低，进一步提高电机效率。对于小功率电机可以考虑采用铸铜转子方案。
七、结语
超高效电机实际上就是“精品电机”，效率的实现从理论上来说方法很多，但最重要的是工艺保证程度。电动机效率不断提高的过程是产品不断更新换代的过程，同时也是一个国家电机工业综合水平的标志。

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